Videnskab
 Science >> Videnskab >  >> Astronomi

Her er grunden til, at vi skal placere et gravitationsbølgeobservatorium på månen

Gravitationsbølgevidenskab rummer et stort potentiale, som videnskabsmænd er ivrige efter at udvikle. Er et gravitationsbølgeobservatorium på månen vejen frem? Kredit:NASA/Goddard/LRO.

Forskere opdagede den første længe forudsagte gravitationsbølge i 2015, og siden da har forskere hungret efter bedre detektorer. Men Jorden er varm og seismisk støjende, og det vil altid begrænse effektiviteten af ​​jordbaserede detektorer.



Er månen det rigtige sted for et nyt gravitationsbølgeobservatorium? Det kan være. At sende teleskoper ud i rummet fungerede godt, og at montere et GW-observatorium på månen kunne også, selvom forslaget naturligvis er meget komplekst.

Det meste af astronomi handler om lys. Jo bedre vi kan fornemme det, jo mere lærer vi om naturen. Det er derfor teleskoper som Hubble og JWST er i rummet. Jordens atmosfære forvrænger teleskopbilleder og blokerer endda noget lys, som infrarødt. Rumteleskoper kommer uden om begge disse problemer og har revolutioneret astronomi.

Gravitationsbølger er ikke lette, men at fornemme dem kræver stadig ekstrem følsomhed. Ligesom Jordens atmosfære kan introducere "støj" i teleskopobservationer, så kan Jordens seismiske aktivitet forårsage problemer for gravitationsbølgedetektorer. Månen har en stor fordel i forhold til vores dynamiske, konstant skiftende planet:den har langt mindre seismisk aktivitet.

Vi har vidst siden Apollo-dagene, at månen har seismisk aktivitet. Men i modsætning til Jorden er det meste af dens aktivitet relateret til tidevandskræfter og små meteoritnedslag. Det meste af dets seismiske aktivitet er også svagere og meget dybere end Jordens. Det har tiltrukket sig opmærksomhed fra forskere, der udvikler Lunar Gravitational-wave Antenna (LGWA).

Udviklerne af LGWA har skrevet et nyt papir, "The Lunar Gravitational-wave Antenna:Mission Studies and Science Case," og postet det til arXiv preprint server. Hovedforfatteren er Parameswaran Ajith, en fysiker/astrofysiker fra International Center for Theoretical Science, Tata Institute of Fundamental Research, Bangalore, Indien. Ajith er også medlem af LIGO Scientific Collaboration.

Et gravitationsbølgeobservatorium (GWO) på månen ville dække et hul i frekvensdækning.

"I betragtning af månens størrelse og den forventede støj produceret af månens seismiske baggrund, ville LGWA være i stand til at observere GW'er fra omkring 1 mHz til 1 Hz," skriver forfatterne. "Dette ville gøre LGWA til det manglende led mellem rumbårne detektorer som LISA med spidsfølsomheder omkring et par millihertz og foreslåede fremtidige terrestriske detektorer som Einstein Telescope eller Cosmic Explorer."

Hvis den blev bygget, ville LGWA bestå af en række detektorer i planetarisk skala. Månens unikke forhold vil gøre det muligt for LGWA at åbne et større vindue til gravitationsbølgevidenskab. Månen har ekstremt lav seismisk baggrundsaktivitet, som forfatterne beskriver som "seismisk stilhed." Manglen på baggrundsstøj vil muliggøre mere følsomme påvisninger.

Månen har også ekstremt lave temperaturer inde i sine permanent skyggede områder (PSR'er). Detektorer skal være superkølede, og de kolde temperaturer i PSR'erne gør den opgave lettere. LGWA ville bestå af fire detektorer i et PSR-krater ved en af ​​månepolerne.

Et grafisk resumé af LGWA-videnskabssagen, herunder multi-messenger-undersøgelser med elektromagnetiske observatorier og multibåndsobservationer med rumbårne og terrestriske GW-detektorer. Kredit:Ajith et al 2024/LGWA

LGWA er en ambitiøs idé med et potentielt spilskiftende videnskabeligt udbytte. Når det kombineres med teleskoper, der observerer på tværs af det elektromagnetiske spektrum og med neutrino- og kosmiske stråledetektorer – kaldet multi-budbringer-astronomi – kan det fremme vores forståelse af en lang række kosmiske begivenheder.

LGWA vil have nogle unikke muligheder til at detektere kosmiske eksplosioner. "Kun LGWA kan observere astrofysiske hændelser, der involverer WD'er (hvide dværge) som tidevandsafbrydelseshændelser (TDE'er) og SNe Ia," forklarer forfatterne. De påpeger også, at det kun er LGWA, der vil være i stand til at advare astronomer uger eller endda måneder forud for, at kompakte binære filer fra solmasse, herunder neutronstjerner, smelter sammen.

LGWA vil også være i stand til at detektere lettere intermediate-masse sorte hul (IMBH) binære filer i det tidlige univers. IMBH'er spillede en rolle i at danne nutidens supermassive sorte huller (SMBH'er) i hjertet af galakser som vores egen. Astrofysikere har en masse ubesvarede spørgsmål omkring sorte huller, og hvordan de har udviklet sig, og LGWA burde hjælpe med at besvare nogle af dem.

Double White Dwarf (DWD) fusioner uden for vores galakse er en anden ting, som LGWA alene vil være i stand til at fornemme. De kan bruges til at måle Hubble-konstanten. I løbet af årtierne har videnskabsmænd fået mere raffinerede målinger af Hubble-konstanten, men der er stadig uoverensstemmelser.

LGWA vil også fortælle os mere om månen. Dens seismiske observationer vil afsløre månens indre struktur mere detaljeret end nogensinde. Der er meget, som videnskabsmænd stadig ikke ved om dens dannelse, historie og evolution. LGWA's seismiske observationer vil også belyse månens geologiske processer.

LGWA-missionen er stadig under udvikling. Før det kan implementeres, skal forskerne vide mere om, hvor de planlægger at placere det. Det er her, den foreløbige Soundcheck-mission kommer ind.

I 2023 valgte ESA Soundcheck til sin reservepulje af videnskabsaktiviteter til månen. Soundcheck vil ikke kun måle seismisk overfladeforskydning, magnetiske fluktuationer og temperatur, det vil også være en teknologidemonstrationsmission. "Soundcheck-teknologivalideringen fokuserer på implementering, inertisensormekanik og udlæsning, termisk styring og platformsnivellering," forklarer forfatterne.

Inden for astronomi, astrofysik, kosmologi og relaterede videnskabelige bestræbelser ser det altid ud til, at vi er på afgrunden af ​​nye opdagelser og en ny forståelse af universet og hvordan vi passer ind i det. Grunden til at det altid virker sådan er fordi det er sandt. Mennesker bliver bedre og bedre til det, og GW-videnskabens fremkomst og opblomstring er et eksempel på det, selvom vi lige er startet. Ikke engang et årti er gået, siden videnskabsmænd opdagede deres første GW.

Hvor vil tingene gå herfra?

"På trods af denne veludviklede køreplan for GW-videnskab, er det vigtigt at indse, at udforskningen af ​​vores univers gennem GW'er stadig er i sin vorden," skriver forfatterne i deres papir. "Ud over den enorme påvirkning, der forventes på astrofysik og kosmologi, har dette felt en høj sandsynlighed for uventede og fundamentale opdagelser."

Flere oplysninger: Parameswaran Ajith et al., The Lunar Gravitational-wave Antenna:Mission Studies and Science Case, arXiv (2024). DOI:10.48550/arxiv.2404.09181

Journaloplysninger: arXiv

Leveret af Universe Today




Sidste artikel

Næste artikel

Varme artikler
Sprog: French | Italian | Spanish | Portuguese | Swedish | German | Dutch | Danish | Norway |

Videnskab © https://da.scienceaq.com